基于AR技術的混合式教學設計

當今科學技術快速發展，教學與技術融合成為必然。以往，教師用圖片、文字、幻燈片、動畫、視頻及實驗器材教學，難以激發學生的創造性和主觀能動性。為了解決這些問題，很多學校實施了混合式教學，將線上網絡學習與線下課堂教學融合，變灌輸式教學為利用智慧教學平臺驅動和激勵學生自主學習和探究，取得了一定效果。其中，新興的增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）技術已在混合式教學中得到一定應用。作為一種增強虛擬與現實交互體驗的技術，AR可以實現復雜的空間關系和抽象概念的可視化，能很好地幫助學生理解抽象和復雜的概念，提升學習效果。由于AR技術在提高學生信心、專注力及激發學習動機等方面明顯優于傳統的講授式教學方法，其應用已在多個學科中取得較好效果，如數學中的相遇問題、物理中的單縫衍射實驗和生物學中的觀察細胞結構等，但目前仍存在針對性和適用性不強的問題。為讓AR技術更好地幫助學生理解抽象概念，筆者開展了基于AR技術的混合式教學設計研究，并以歐姆定律為例進行教學設計。

一、基于AR技術的教學設計

（一）教材分析

歐姆定律是初中電學知識的基礎和重點，該知識點具有一定的抽象性。筆者本次教學以人教版九年級《物理》教材為依托。歐姆定律指流過導體的電流與導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻成反比。教學內容包括兩部分：一是歐姆定律的公式及單位;二是歐姆定律的應用。教材基于“探索電流和電壓之間的關系”的結論，直接給出歐姆定律，即電流、電壓、電阻三者之間的關系。歐姆定律的教學起著承上啟下的作用，內容編排不僅符合從易到難、從簡單到復雜的認知規律，而且保持了知識的結構性和系統性。

（二）教學目標

知識與技能：能夠利用實驗方法探索電流、電壓和電阻的關系;理解歐姆定律的內容和公式;培養觀察、實驗能力和分析概括能力。

過程與方法：掌握控制變量法這個探索實驗和研究物理問題的常用方法。

情感態度與價值觀：通過探究過程激發學習興趣，培養學生務實的科學態度和認真謹慎的學習習慣。

（三）學情分析

學生已經掌握如下相關知識。

對于電路的連接、使用電流表測電流、使用電壓表測電壓、串聯電路電流和電壓的特點、并聯電路電流和電壓的特點、影響電阻的因素、電流與電壓和電阻的關系等，學生已經掌握。學生對實驗探究已有一定的思路。

基于對教材內容和學生實際情況的分析，筆者本次教學將突出學生的自主學習，讓學生分組合作學習。教師的主要工作是點撥和指導。

（四）教學重難點

本部分的學習重點是操作與歐姆定律相關的兩個探究實驗，并掌握歐姆定律的內容和公式。通過實驗，學生得出導體中電流、電壓和電阻之間的關系。學習難點在于如何得出歐姆定律以及理解歐姆定律的內容并弄清變形公式的含義。

（五）教學準備

為了便于學生自主設計實驗方案，操作整個實驗，培養自主創新能力及學習能力，教師可選用基于AR技術的“物理實驗課AR”軟件教學。該軟件Android、iOS系統均可運行，支持手機、臺式電腦和平板電腦，從小學到高中的物理實驗都能一一仿真，包括電學、電磁學和天體力學等實驗。學生應用該軟件可熟悉高精度物理實驗操作，在AR交互模式下，設計電路甚至星系，不受教材或經驗限制，也無安全隱患，可復現電學元件的每個細節（從模型、外觀到電學性質），還可自由設置器件屬性，完整復原電路圖。此外，該軟件還具有AR定位環境功能。

（六）設計思想

基于對教材以及學情的分析，筆者將本次內容分為兩個課時教學。第一課時的教學主要圍繞實驗1開展（保持電阻不變，探究電流與電壓的關系）;第二課時的教學主要圍繞實驗2開展（電壓一定時，電流與電阻的關系）。圖1為基于AR技術的混合式教學設計的教學總體框架圖。在教學過程中，筆者導入情境、演示實驗、及時指導，讓學生以小組合作的方式應用AR輔助教學軟件操作物理實驗。筆者基于AR技術實施混合式教學，將AR技術與傳統教學中的多媒體手段結合應用。在教師的引導下，學生以小組合作的方式自主在AR技術軟件上操作歐姆定律的實驗，通過多次實驗驗證自己的假設。在學生自主探究之后，筆者提出問題讓學生回答，總結知識，并布置隨堂練習題檢測學生是否掌握歐姆定律，進行針對性輔導。

（七）教學過程

本次教學內容主要是操作以下兩個實驗。

實驗1：探究電阻一定時，電流與電壓的關系。

準備儀器：電壓表、電流表、定值電阻（控制變量）、滑動變阻器、開關、導線、電源。

確定控變量——導體電阻不變;自變量——導體兩端電壓;因變量——流過導體的電流。

實驗電路圖如圖2所示。

實驗步驟如下：第一步，連接如圖2所示電路圖，保持開關處于斷開狀態，將滑片置于滑動變阻器阻值最大處;第二步，閉合開關S，將滑動變阻器調至適當位置，得到此時電壓表示數為，電流表示數為，記錄在實驗數據表格中;第三步，斷開開關S，改變滑動變阻器的滑片位置，閉合開關S后，得到此時電壓表示數為，電流表示數為，記錄在實驗數據表格中;第四步，仿照第三步，做4次實驗，將得到的電壓表示數和電流表示數，記錄在實驗數據記錄在表格中;第五步，得出實驗1數據表（見表1）。

實驗測試圖如圖3、4所示。

實驗2：探究電壓一定時，電流與電阻的關系。

準備儀器：電壓表、電流表、6個阻值不同的定值電阻或電阻箱，滑動變阻器、開關、導線、電源。

確定控變量——導體兩端電壓不變;自變量——導體電阻;因變量——流過導體的電流。

實驗電路圖如圖2所示。

實驗步驟如下：第一步、第二步同實驗一;第三步，斷開開關S，更換不同阻值的電阻（調節電阻箱的值），閉合開關S，調節滑動變阻器使電壓表示數仍為，記下此時電流表示數為，將得到的、、記錄在實驗數據表格中;第四步，仿照第三步，做4次實驗，將電壓表示數，電阻阻值和電流表示數，記錄在表格;第五步，得出實驗2數據表（見表2）。

二、混合式教學的詳細設計

通常，完整的思維型教學設計涉及6個環節，分別為準備階段的教學設計、感知階段的教學設計、理解階段的教學設計、鞏固階段的教學設計、運用階段的教學設計、教學過程的評價設計。教學過程中的這六個基本環節都很重要，各個環節都會影響學生學習行為的發生、思維能力的培養以及科學素養的形成。此外，每個階段都有不同的教學設計方式。筆者設計9個步驟將6個環節連為一體。各環節教學方案設計如下：

（一）準備階段的教學設計

步驟1：設計教學內容（歐姆定律電路圖）。課前，教師制作與物理課程相配合使用的課件，在AR輔助教學平臺上模擬在現實場景中的電路實驗。

步驟2：情境導入。導入：為什么在生活中高壓輸電線制作得很粗呢？（以現實生活中高壓輸導線制作得很粗的現象，引出這是為了減小導線的電阻以及減少電能在運輸途中的消耗，既能夠激發學生的好奇心，又能為學習歐姆定律埋下伏筆。）教師通過AR輔助教學軟件模擬為學生演示歐姆定律，將教學與生活相結合，同時緊扣教學內容和教學重點，激發學生的學習動機，使其產生真實感受，積極參與并主動學習。

（二）感知階段的教學設計

步驟3：教師向學生演示以下兩個物理實驗。實驗1：保持電阻不變，讓學生觀察電流和電壓的關系。得出結論1：保持導體的電阻不變時，通過導體的電流和它兩端的電壓成正比。實驗2：保持電壓不變，研究電流和電阻的關系。得出結論2：保持電壓不變，讓學生觀察研究電流和電阻的關系。

（三）理解階段的教學設計

步驟4：教師指導學生在AR輔助教學軟件上通過小組合作的方式進行物理實驗，回答下列問題。1.這個實驗中更換電阻的操作要做3次，為什么？2.閉合開關，滑動變阻器的滑片向左滑動時，兩表的示數如何變化？3.某學生實驗時發現閉合開關后，電流表的指針幾乎不動，而電壓表的指針卻有明顯偏轉，電路中發生故障的原因可能是什么？教師引導學生進行小組合作和自主探究。

（1）在平臺注冊賬號，選擇物理電路實驗，進入實驗界面。

（2）教師對學生進行指導，讓其按照課本在AR平臺上自行選擇實驗儀器，并進行電路實驗。

（3）讓學生根據歐姆定律連接電路，點擊小卡片展示每個儀器的核心信息，點擊編輯按鈕，展開大卡片。

（四）鞏固階段的教學設計

步驟5：讓學生通過分組方式（可以根據全班學生的共同特點和個別差異，綜合考慮學生的組織能力、自學能力、分析問題和解決問題的能力，按成績、能力、性格諸方面的差異組建若干最優化的合作學習小組）參與AR物理實驗后，再合作交流，得出結論，舉手回答問題。在這個過程中，教師要維持良好的課堂秩序，適當對學生進行引導，積極互動。

步驟6：配合教材制作背景。例如：教師通過Flash動畫與物理教材相結合的方式為學生講解九年級物理課本中的歐姆定律，讓學生理解歐姆定律及其公式。

（五）運用階段的教學設計

步驟7：教師對實驗組的學生的學習過程和學習結果進行點評，并補充相關知識，深化學生對歐姆定律的理解，在課堂上布置隨堂練習讓學生完成相應的學習任務。通過做練習題等方式讓學生運用所學的結論完成作業有兩方面好處：一方面通過這個過程讓學生將所學的知識納入已有的知識體系，建構合理的學科結構;另一方面，可以培養學生的自我監控能力。教師布置的習題要考慮周到：既要有知識總結，又要有方法總結;既要反思探索的過程，又要反思探究中的教訓。

（六）教學過程的評價設計

步驟8：教師根據目標性原則、關聯性原則、過程與結果統一原則、客觀性原則、整體性原則、指導性原則來進行教學過程的評價設計。教師可以通過作業與測驗法、觀察法、訪談法、問卷調查法等對學生在歐姆定律這一章節的學業成績和學習狀態進行監控和把握，以便于有針對性優化教學設計方案。

步驟9：預期效果。在整個學習過程中，學生通過AR物理學習軟件學習，輕松愉快，同時可以避免物理電路實驗過程中可能帶來的危險。學習內容以立體的形式呈現在電子設備屏幕上。這些有利于激發學生的內驅力。

三、總結

目前，中小學物理課堂教學存在不足主要表現在學生缺乏主動實驗的機會，教學過程的創新性不夠。基于AR技術開展混合式教學能夠將AR技術與傳統的教學方式相結合，既能夠提高學生的動手能力、激發學生的主觀能動性，又能夠提升教學過程的趣味性。

此外，運用AR技術可以模擬實驗結果，并且能夠顯示電壓、電流等數值，在實時示波器支持下還能夠一鍵變電路圖，讓電路知識從死板的電路圖升級為實物，甚至可以使用AR虛擬模擬功能將虛擬的電學實驗設備與現實環境相結合并實時互動，提高學生的學習興趣和學習信心。總之，將物理教材上的內容與AR相結合，進行科學的教學設計可以有針對性地提升教學效率和教學效果，為混合式教學提供理論參考。

（作者趙晗嫣系云南大學職業與繼續教育學院研究生;吳建平系云南大學信息學院研究生導師，高級工程師;奚艷妮系云南大學職業與繼續教育學院研究生）

責任編輯：祝元志